KR20080083709A - 모터의 제어장치 - Google Patents

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겐지 야마다
히데아키 사이다
다쿠오 와타나베
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

통상회전수연산유닛(151)은 회전위치센서로부터의 신호를 토대로 매 제어주기마다 주행용 모터제너레이터의 통상회전수(Nn)를 연산한다. 이동평균연산유닛(152)은 매 제어주기마다 주어지는 통상회전수(Nn)의 이동평균회전수(NAn)를 연산한다. 예측회전수연산유닛(153)은 이동평균회전수(NAn)의 궤적으로부터, 상기 모터제너레이터의 회전수가 상승상태에 있는 지의 여부를 판정한다. 상기 모터제너레이터의 회전수가 상승상태에 있는 것으로 판정하면, 상기 예측회전수연산유닛(153)이 금회 및 전회의 제어주기간의 각각의 이동평균회전수를 토대로 예측회전수를 연산한다. 상기 연산된 예측회전수는 제어용회전수(MRN2)로 사용되도록 설정되고, 모터제어유닛 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력된다.

Description

모터의 제어장치{MOTOR CONTROLLER}
본 발명은 모터의 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 회전수를 토대로 상기 모터를 구동 및 제어하는 모터의 제어장치에 관한 것이다.
최근, 환경친화적인 자동차로서 하이브리드자동차 및 전기자동차가 주목받고 있다. 하이브리드자동차는 동력원으로서 종래의 엔진 및 부가적으로는 인버터를 통한 DC 전원에 의해 구동되는 모터를 포함하는 자동차이다. 구체적으로는, 엔진을 구동시켜 동력이 얻어지고, 또한 DC 전원으로부터의 DC 전압을 인버터에 의해 AC 전압으로 변환하여, 상기 변환에 의해 발생되는 AC 전압으로 모터를 회전시킴으로써 동력이 얻어진다.
전기자동차는 동력원으로서 인버터를 통한 DC 전원에 의해 구동되는 모터를 포함하는 자동차이다.
하이브리드자동차 또는 전기자동차에 있어서, 모터를 구동 및 제어하는 제어장치는 예컨대 일본특허공개공보 제2001-145381호에 제안되어 있다. 상기 제어장치는 리졸버에 의해 검출되는 회전자의 위치로부터 모터의 회전수를 결정하고, 상기 결정된 회전수를 토대로 각각의 u, v, w상의 모터로 출력되는 직사각형파 신호의 상을 조정함으로써, 상기 모터의 출력 토크를 제어하게 된다.
따라서, 사전설정된 시간 간격으로 반복해서 수행되는 모터제어루틴에 있어서, 상기 제어장치는 우선 리졸버에 의해 검출되는 회전자의 전기각을 판독하고, 상기 판독된 전기각을 이용하여 모터의 회전수를 연산하게 된다. 이어서, 상기 제어장치는 상기 연산된 회전수를 토대로 직사각형파 신호의 상을 결정한다. 결정된 상에 따라, u, v, w상 각각에 대한 스위칭소자가 모터의 토크를 제어하도록 스위칭된다.
하지만, 상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 예컨대 구동차륜이 미끄러져 예컨대 모터의 회전수를 급격하게 증가시키는 경우, 모터의 출력 토크가 제어되고 있는 동안의 모터의 회전수와 상기 판독된 전기각으로부터 연산된 모터의 회전수간에 큰 차이가 발생할 수도 있다. 이러한 차이는 예컨대 제어장치의 연산 시의 지연 및 상기 제어장치와 리졸버간의 통신 시의 지연으로 인하여 증가된다.
다시 말해, 모터의 회전수의 급증으로 인하여, 상기 설정된 출력 토크에 따라 모터가 실제로 구동 및 제어되는 동안의 상기 모터의 회전수는 모터의 출력 토크를 설정하는데 사용되는 회전수보다 현저하게 클 수도 있다.
이 경우, 모터가 역행모드로 구동된다면, 모터의 출력 토크가 설정될 때 예상되는 모터소비전력(토크 × 회전수)을 상기 출력 토크가 실제로 제어되는 동안의 모터소비전력이 상회한다. 그 결과, 과도하게 큰 전력이 DC 전원으로부터 나올 수 있게 된다.
만일 모터가 회생모드로 구동된다면, 모터의 출력 토크가 설정될 때 예상되는 모터발전전력을 출력 토크가 실제로 제어되는 동안의 모터발전전력이 상회한다. 그 결과, 과도하게 큰 전력이 DC 전원으로 제공될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 연산된 모터의 회전수에 의한 출력 토크 제어에 관해서는, 회전수의 급격한 변화에 순응하는 제어를 수행하기 곤란하다. 그러므로, DC 전원이 입출력전력제한을 초과하는 정도로 과충전 또는 과방전되는 문제가 발생하게 된다.
그러므로, 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하고자 고안되었다. 본 발명의 목적은 모터의 동작 상태의 변화를 추종하는 구동 및 제어를 수행할 수 있고, 전원이 과도한 전력으로 충전되거나 방전되는 것을 방지할 수 있는 모터의 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 모터의 제어장치는 구동력지령값에 따라 모터를 구동 및 제어한다. 상기 모터의 제어장치는, 상기 모터의 회전수를 검출하는 회전수검출유닛; 상기 회전수의 검출값의 이동평균을 산출하는 이동평균연산유닛; 상기 연산된 이동평균을 이용하여, 사전설정된 제어타이밍에서 예측회전수를 추정하는 회전수추정유닛; 상기 추정된 예측회전수를 제어용회전수로 이용하여, 상기 제어용회전수를 토대로 상기 사전설정된 제어타이밍에서 상기 구동력제어값을 설정하는 구동력지령설정유닛; 및 전원으로부터 전력을 받아 상기 모터를 구동 및 제어하여, 상기 모터의 출력이 상기 구동력지령값을 추종하도록 하는 모터구동제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 회전수의 이동평균을 이용하여 예측회전수가 추정되므로, 회전수의 작은 변동에 영향을 받지 않으면서도 안정하게 추정이 이루어질 수 있게 된다. 상기 예측회전수는 모터를 구동 및 제어하기 위한 제어용회전수로 사용된다. 따라서, 전원의 입출력전력제한은, 검출된 회전수로부터 직접 추정되는 예측회전수를 제어용회전수로 이용하는 종래의 모터의 구동 및 제어에 비해 더욱 엄격하게 충족될 수 있다. 그 결과, 전원이 과충전과 과방전에 대해 확실하게 보호될 수 있다.
상기 구동력지령설정유닛은, 상기 모터가 역행모드(power running mode)로 동작할 때, 상기 제어용회전수와 상기 구동력지령값에 따라 상기 모터에 의해 소비되는 전력량이 상기 전원의 출력전력제한값을 초과하지 않도록 상기 구동력지령값을 설정하고, 상기 모터가 회생모드로 동작할 때, 상기 제어용회전수와 상기 구동력지령값에 따라 상기 모터에 의해 발생되는 전력량이 상기 전원의 입력전력제한값을 초과하지 않도록 상기 구동력지령값을 설정하는 것이 바람직하다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 이동평균으로부터 추정되는 예측회전수가 제어용회전수로 이용되어 모터의 파워 밸런스를 결정하게 된다. 그러므로, 검출된 회전수로부터 직접 추정되는 예측회전수를 제어용회전수로 이용하는 종래의 모터의 구동 및 제어에 비해, 전원의 입출력전력제한이 더욱 엄격하게 충족될 수 있다.
상기 모터의 제어장치는 상기 이동평균을 토대로, 상기 회전수가 상승상태 또는 하강상태에 있는 지의 여부를 판정하는 회전수변동상태판정유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 회전수추정유닛은, 상기 회전수가 상기 상승상태에 있는 것으로 판정될 때, 상기 사전설정된 제어타이밍으로 상기 예측회전수를 추정하고, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정될 때, 상기 예측회전수의 추정을 금지한다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 회전수가 상승상태 또는 하강상태에 있는 지의 여부에 따라 예측회전수를 추정하는 방법이 변경된다. 그러므로, 예측회전수가 모터의 파워 밸런스를 각각의 상태로 가정하기 위해 적절하게 추정될 수 있다.
상기 회전수추정유닛은, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정될 때, 사용될 상기 회전수의 검출값을 직접적으로 상기 예측회전수로 설정하여 출력하는 것이 바람직하다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 회전수가 하강상태에 있을 때 제어용회전수로 회전수의 검출값이 사용된다. 그러므로, 예측회전수가 실제 회전수보다 작아, 실제 모터의 파워 밸런스가 예측회전수로부터 가정된 파워 밸런스를 초과하게 되는 것이 방지된다. 그 결과, 전원의 입출력전력제한이 보다 엄격하게 충족될 수 있고, 상기 전원의 과충전과 과방전이 확실하게 방지될 수 있다.
상기 회전수변동상태판정유닛은, 상기 이동평균이 연속하는 n(n은 2이상의 자연수임)개의 제어주기로 증가할 때, 상기 회전수가 상기 상승상태에 있는 것으로 판정하고, 상기 이동평균이 연속하는 m(m은 2이상의 자연수임)개의 제어주기로 감소할 때, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정하는 것이 바람직하다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 회전수의 상승상태/하강상태의 에러 있는 판정이 회피된다.
상기 회전수추정유닛은, 상기 이동평균이 감소하기 시작하여 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정할 때까지의 기간에서, 상기 이동평균을 토대로 추정되는 상기 예측회전수보다는 크고 상기 회전수의 검출값보다는 작게 상기 예측회전수를 설정하는 것이 바람직하다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 상승상태에서 하강상태로의 회전수의 변화 직후 예측회전수를 추정하는 방법의 스위칭으로 인하여, 제어용회전수의 갑작스런 변경이 방지된다. 그러므로, 모터의 구동 및 제어의 안정성이 유지될 수 있게 된다.
상기 회전수변동상태판정유닛은, 상기 제어주기간의 상기 평균이동의 증가량이 클수록 상기 n을 상대적으로 작게 설정하고, 상기 제어주기간의 상기 이동평균의 감소량이 클수록 상기 m을 상대적으로 작게 설정하는 것이 바람직하다.
상술된 모터의 제어장치에 관해서는, 회전수가 급변하는 경우, 제어용회전수로 예측회전수를 이용하여 즉시 모터가 구동 및 제어된다. 그러므로, 전원의 입출력전력제한이 보다 엄격하게 충족되어, 전원이 과충전되거나 과방전되는 것을 확실하게 보호하게 된다.
본 발명에 따르면, 전원이 과도한 전력으로 충전되거나 방전되는 것을 방지할 수 있도록, 모터의 동작 상태의 변화를 추종하는 구동 및 제어가 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 제어장치를 탑재한 자동차의 구성을 예시한 블럭도;
도 2는 본 발명에 따른 모터의 제어장치의 기능블럭도;
도 3은 도 2의 PCU의 구체적 구성을 도시한 회로도;
도 4는 도 3의 모터제어유닛의 기능블럭도;
도 5는 통상회전수의 시간적변화를 도시한 도면;
도 6은 통상회전수와 상기 통상회전수를 토대로 산출된 예측회전수의 시간적변화를 도시한 도면;
도 7은 통상회전수, 상기 통상회전수의 이동평균을 연산하여 결정된 이동평균회전수 및 상기 이동평균회전수를 토대로 산출된 예측회전수의 시간적변화를 도시한 도면;
도 8은 도 2의 ECU의 기능블럭도;
도 9는 이동평균회전수 및 상기 이동평균회전수를 토대로 산출된 예측회전수의 시간적변화를 도시한 도면;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 예측회전수를 추정하는 방법을 예시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서, 동일한 참조 부호들은 동일하거나 대응하는 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 제어장치를 탑재한 자동차의 구 성을 예시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드자동차(100)는 배터리(B), ECU(Electronic Control Unit)(15), PCU(Power Control Unit)(20), 동력출력장치(35), 차동기어(DG)(40), 전륜(50L, 50R), 후륜(60L, 60R), 프론트시트(70L, 70R) 및 리어시트(80)를 포함한다.
배터리(B)는 예컨대 니켈-수소 또는 리튬-이온 2차전지로 형성된다. 대안적으로, 배터리(B)는 연료전지 또는 캐패시터일 수도 있다. 배터리(B)는 DC 전압을 PCU(20)에 공급하여, PCU(20)로부터의 DC 전압으로 충전된다. 배터리(B)는 예컨대 리어시트(80) 후방부에 배치되어 PCU(20)에 전기적으로 연결된다. PCU(20)는 일반적으로 하이브리드자동차(100)에 필수적인 전력컨버터를 나타낸다.
ECU(15)에는, 주행 상태와 차량 상태를 나타내는 각종 센서들로부터 각종 센서 출력(27)들이 공급된다. 각종 센서 출력(27)은 예컨대 액셀러레이터페달(25)이 감압된 정도를 검출하는 액셀러레이터페달위치센서로부터의 액셀러레이터페달위치, 시프트위치센서로부터의 시프트위치, 브레이크페달위치센서로부터의 브레이크페달위치 및 차속센서로부터의 차속을 포함한다. ECU(15)는 공급되는 이들 센서 출력을 토대로 하이브리드자동차(100)용 각종 제어 동작들을 포괄적으로 수행한다.
동력출력장치(35)는 차륜을 구동하기 위한 동력원으로서 제공되는 엔진 및 모터제너레이터(MG1,MG2)를 포함한다. DG(40)는 동력출력장치(35)로부터 전류(50L, 50R)으로 동력을 전달하고, 전륜(50L, 50R)의 회전력을 동력출력장치(35)로 전달한다.
이에 따라, 동력출력장치(35)는 DG(40)를 통해 엔진 및/또는 모터제너레이터(MG1, MG2)에 의해 생성되는 동력을 전륜(50L, 50R)으로 전달하여, 전륜(50L, 50R)을 구동시킨다. 또한, 동력출력장치(35)는 전륜(50L, 50R)의 회전력으로부터 전력을 생성하여, 상기 생성된 전력을 PCU(20)로 공급한다.
모터제너레이터(MG1, MG2)가 역행모드(power running mode)로 동작하면, PCU(20)는 ECU(15)로부터의 제어 지시를 추종하여 배터리(B)로부터의 DC 전압을 증가시키고, 상기 증가된 DC 전압을 AC 전압으로 변환시킴으로써, 동력출력장치(35)에 포함된 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하게 된다.
또한, 모터제너레이터(MG1, MG2)가 회생모드(regenerative mode)로 동작하면, PCU(20)는 ECU(15)로부터의 제어 지시를 추종하여 모터제너레이터(MG1, MG2)에 의해 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환시킴으로써, 배터리(B)를 충전하게 된다.
따라서, 하이브리드자동차(100)에서는, 배터리(B), PCU(20) 및 PCU(20)를 제어하는 ECU(15)의 일부분이 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하는 "모터의 제어장치"를 구성한다.
다음으로, 본 발명에 따른 모터의 제어장치의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 모터의 제어장치의 기능블럭도이다.
도 2를 참조하면, 모터의 제어장치는 배터리(B), 모터제너레이터(MG1, MG2)의 구동 및 제어 시에 수반되는 PCU(20)의 일부분(이하, 이 부분을 간단히 "PCU(20)"라고도 함) 및 PCU(20)의 제어 시에 수반되는 ECU(15)의 일부분(이하, 이 부분을 간단히 "ECU(15)"라고도 함)을 포함한다.
PCU(20)는 승압컨버터(12), 평활캐패시터(C2), 모터제너레이터(MG1, MG2)와 각각 연관된 인버터(14, 31) 및 모터제어유닛(30)을 포함한다.
ECU(15)에는, 상술된 각종 센서 출력(27) 이외에, 모터제너레이터(MG1, MG2)에 각각 배치되는 회전위치센서(R1, R2)로부터 신호(θ1, θ2)가 입력되어, 연관된 회전자의 회전 위치를 검출한다.
ECU(15)는 회전위치센서(R1, R2)로부터 신호(θ1, θ2)를 토대로 회전수연산루틴(도시안됨)에 의해 모터제너레이터(MG1, MG2)의 모터회전수를 연산한다. 상기 연산된 모터회전수를 토대로, ECU(15)는 후술하는 방법에 의하여 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하는 데 사용되는 제어용회전수(MRN1, MRN2)를 생성한다.
또한, ECU(15)는 각종 센서 입력(27)을 토대로, 엔진에 대한 출력비 등을 고려하여 모터제너레이터(MG1, MG2)의 요구출력토크(이하, 요구토크라고도 함)를 결정한다. 더욱이, ECU(15)는 상술된 제어용회전수 MRN1, MRN2 및 모터제너레이터(MG1, MG2)의 요구토크를 토대로 후술하는 전력밸런스제어를 행하여, 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동하기 위한 토크지령값 TR1, TR2을 생성하게 된다.
생성된 제어용회전수 MRN1, MRN2 및 토크지령값 TR1, TR2는 모터제어유닛(30)으로 공급된다.
모터제어유닛(30)은 ECU(15)로부터의 토크지령값 TR1, TR2 및 제어용회전수 MRN1, MRN2를 토대로, 후술하는 방법에 의하여 승압컨버터(12)의 동작을 제어하기 위한 신호 PWMC를 생성한다. 또한, 회전위치센서(R1)로부터의 신호(θ1) 및 토크지령값 TR1을 토대로, 모터제어유닛(30)은 후술하는 방법에 의하여 인버터(14)의 동작을 제어하기 위한 신호 PWMI1을 생성한다. 나아가, 회전위치센서(R2)로부터의 신호(θ2) 및 토크지령값 TR2를 토대로, 모터제어유닛(30)은 후술하는 방법에 의하여 인버터(31)의 동작을 제어하기 위한 신호 PWMI2를 생성한다.
도 3은 도 2의 PCU(20)의 구체적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, PCU(20)는 승압컨버터(12), 캐패시터(C1, C2), 인버터(14, 31), 전압젠서(10, 13), 전류센서(24, 28) 및 회전위치센서(R1, R2)를 포함한다.
엔진(ENG)은 가솔린과 같은 연료의 연소에너지로부터 구동력을 생성한다. 엔진(ENG)에 의해 생성되는 구동력은 도 3에 볼드선과 비스듬하게 빗금친 선으로 표시된 바와 같이 동력분할장치(PSD)에 의하여 두 가지 경로로 분할되는 경로를 통해 전달된다. 하나는 차륜을 구동하는 구동축에 리덕션기어(도시안됨)를 통해 힘을 전달하기 위한 경로이다. 다른 하나는 모터제너레이터(MG1)에 힘을 전달하기 위한 경로이다.
모터제너레이터(MG1, MG2)는 발전기와 전동기 양자 모두로서의 기능을 할 수 있다. 하지만, 후술하는 바와 같이, 모터제너레이터(MG1)는 주로 발전기로서 동작하고, 모터제너레이터(MG2)는 주로 전동기로서 동작한다.
구체적으로, 모터제너레이터(MG1)는 3상AC회전기계이고, 가속이 이루어질 때, 엔진(ENG)의 시동을 위한 스타터로서 사용된다. 이 때, 모터제너레이터(MG1)에 는 배터리(B)로부터 전력이 공급되므로, 전동기로서의 역할을 하고 엔진(ENG)을 크랭크 및 시동하도록 구동된다.
또한, 엔진(ENG)이 시동된 후, 모터제너레이터(MG1)는 전력을 생성하도록 동력분할장치(PSD)를 통해 전달되는 엔진(ENG)의 구동력에 의해 회전된다.
모터제너레이터(MG1)에 의해 생성되는 전력은 차량의 운전 상태와 배터리(B)의 충전량에 따라 상이하게 사용된다. 예를 들어, 통상 주행시 또는 급가속시, 모터제너레이터(MG1)에 의해 생성되는 전력은 모터제너레이터(MG2)를 구동하기 위한 전력으로서 직접 사용된다. 이와는 대조적으로, 배터리(B)의 충전량이 사전설정된 값보다 작으면, 모터제너레이터(MG1)에 의해 생성되는 전력이 인버터(14)에 의하여 AC 전력으로부터 DC 전력으로 변환되고, 상기 DC 전력은 배터리(B)에 저장된다.
모터제너레이터(MG2)는 3상AC회전기계로서, 모터제너레이터(MG1)에 의해 생성되는 전력 및 배터리(B)에 저장된 전력 중 하나 이상으로 구동된다. 모터제너레이터(MG2)의 구동력은 리덕션기어를 통해 차륜의 구동축으로 전달된다. 이러한 방식으로, 모터제너레이터(MG2)는 엔진(ENG)을 도와 차량을 주행시키거나 또는 MG2 자체의 구동력에 의해서만 차량을 주행시키게 된다.
차량이 회생 제동되면, 모터제너레이터(MG2)는 리덕션기어를 통해 차륜에 의해 회전되어, 발전기로서 동작하게 된다. 이 때, 모터제너레이터(MG2)에 의해 생성되는 회생전력은 인버터(31)를 통해 공급되어 전지(B)를 충전하게 된다.
승압컨버터(12)는 리액터(L1), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2)를 포함한다. 리액터(L1)는 배터리(B)의 전원라인 에 연결된 일 단부 및 IGBT 소자(Q1)과 IGBT 소자(Q2) 사이의 중간점에 연결된, 즉 IGBT 소자(Q1)의 이미터와 IGBT 소자(Q2)의 콜렉터 사이에 연결된 타 단부를 구비한다. IGBT 소자(Q1, Q2)는 전원라인과 접지라인 사이에 직렬로 연결된다. IGBT 소자(Q1)의 콜렉터는 전원라인에 연결되고, IGBT 소자(Q2)의 이미터는 접지라인에 연결된다. 또한, IGBT 소자(Q1, Q2)의 각각의 콜렉터들과 각각의 이미터들 사이에는, 이미터측으로부터 콜렉터측으로 전류를 흐르도록 하는 다이오드(D1, D2)가 연결된다.
인버터(14)는 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)을 포함한다. U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)은 상기 전원라인과 상기 접지라인 사이에 병렬로 제공된다.
U상아암(15)은 직렬 연결된 IGBT 소자(Q3, Q4)로 형성되고, V상아암(16)은 직렬 연결된 IGBT 소자(Q5, Q6)로 형성되며, W상아암(17)은 직렬 연결된 IGBT 소자(Q7, Q8)로 형성되어 있다. IGBT 소자(Q3 내지 Q8)의 각각의 콜렉터들과 이미터들 사이에는, 이미터측으로부터 콜렉터측으로 전류를 흐르게 하기 위한 다이오드(D3 내지 D8)가 각각 연결되어 있다.
각각의 상아암(phase arm)의 중간점은 모터제너레이터(MG1)의 대응하는 상코일의 일 단부에 연결되어 있다. 구체적으로는, U, V, W상의 3개의 코일의 각각의 일 단부들이 공통으로 중성점에 연결되어 모터제너레이터(MG1)를 형성하게 되며, U상코일의 타 단부가 NPN 트랜지스터(Q3, Q4)들 사이의 중간점에 연결되며, V상코일의 타 단부는 NPN 트랜지스터(Q5, Q6)들 사이의 중간점에 연결되고, W상코일의 타 단부는 NPN 트렌지스터(Q7, Q8)들 사이의 의 중간점에 연결된다.
인버터(31)는 인버터(14)와 유사하게 구성된다.
전압센서(10)는 배터리(B)로부터 출력되는 DC 전압(Vb)을 검출하고, 상기 검출된 DC 전압(Vb)을 모터제어유닛(30)으로 출력한다.
캐패시터(C1)는 배터리(B)로부터 공급되는 DC 전압(Vb)을 평활화하여, 평활화된 DC 전압(Vb)을 승압컨버터(12)에 제공한다.
승압컨버터(12)는 캐패시터(C1)로부터 공급되는 DC 전압(Vb)을 증가시키고, 그 결과적인 전압을 캐패시터(C2)에 제공한다. 보다 구체적으로는, 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMC의 수신 시, 승압컨버터(12)는 IGBT 소자(Q2)가 ON 되는 기간에 따라 DC 전압(Vb)을 증가시키고, 그 결과적인 전압을 캐패시터(C2)로 공급한다.
또한, 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMC의 수신 시, 승압컨버터(12)는 인버터(14) 및/또는 인버터(31)로부터 캐패시터(C2)를 통해 공급되는 DC 전압을 감소시켜 배터리(B)를 충전하게 된다.
캐패시터(C2)는 승압컨버터(12)로부터 DC 전압을 평활화하고, 상기 평활화된 DC 전압을 인버터(14, 31)에 공급한다. 전압센서(13)는 캐패시터(C2)의 엔드 투 엔드 전압, 즉 (인버터(14, 31)로의 입력 전압에 대응하는, 이하 동일) 승압컨버터(12)의 출력전압 Vm을 검출하고, 검출된 출력전압 Vm을 모터제어유닛(30)으로 출력한다.
캐패시터(C2)를 통한 배터리(B)로부터의 DC 전압의 수신 시, 인버터(14)는 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMI1을 토대로 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여, 모터제너레이터(MG1)를 구동시키게 된다. 이에 따라, 모터제너레이터(MG1)는 토크지령값 TR1에 따라 토크를 생성하도록 구동된다.
또한, 하이브리드자동차(100)가 회생 제동되는 경우, 인버터(14)는 모터제너레이터(MG1)에 의해 생성되는 AC 전압을 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMI1을 토대로 DC 전압으로 변환하고, 그 결과적인 DC 전압을 캐패시터(C2)를 통해 승압컨버터(12)로 공급한다. 여기서, 상기 회생제동은 하이브리드자동차의 운전자가 풋브레이크를 밟을 때 실행되는 회생발전에 의해 수반되는 제동 뿐만 아니라, 자동차의 주행 시 운전자가 풋 브레이크를 작동시키지 않고 액셀러레이터 페달을 해제시킬 때 실행되는 회생발전에 의해 수반되는 자동차의 감속(또는 가속 중단)을 포함한다.
캐패시터(C2)를 통한 배터리(B)로부터의 DC 전압의 수신 시, 인버터(31)는 DC 전압을 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMI2를 토대로 AC 전압으로 변환하고, 모터제너레이터(MG2)를 구동시킨다. 따라서, 모터제너레이터(MG2)는 토크지령값 TR2에 따라 토크를 생성하도록 구동된다.
또한, 하이브리드자동차(100)가 회생 제동되는 경우, 인버터(31)는 모터제너레이터(MG2)에 의해 생성되는 AC 전압을 모터제어유닛(30)으로부터의 신호 PWMI2를 토대로 DC 전압으로 변환하고, 그 결과적인 DC 전압을 캐패시터(C2)를 통해 승압컨버터(12)로 공급한다.
전류센서(24)는 모터제너레이터(MG1)에서 흐르는 모터전류 MCRT1을 검출하 고, 검출된 모터전류 MCRT1을 모터제어유닛(30)으로 출력한다. 전류센서(28)는 모터제너레이터(MG2)에서 흐르는 모터전류 MCRT2를 검출하고, 검출된 모터전류 MCRT2를 모터제어유닛(30)으로 출력한다.
모터제어유닛(30)은 ECU(15)(도시안됨)로부터 토크지령값 TR1, TR2 및 제어용회전수 MRN1, MRN2를 수신하고, 전압센서(10)로부터 DC 전압(Vb)을 수신하며, 전압센서(13)로부터 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)(즉, 인버터(14, 31)로의 입력 전압)을 수신하고, 전류센서(24)로부터 모터전류 MCRT1을 수신하며, 전류센서(28)로부터 모터 전류(MCRT@)를 수신하고, 회전위치센서 R1, R2로부터 신호 θ1, θ2를 수신한다.
출력 전압 Vm, 토크지령값 TR1 및 모터전류 MCRT1을 토대로, 모터제어유닛(30)은 인버터(14)가 후술하는 방법에 의해 모터제너레이터(MG1)를 구동할 때, 인버터(14)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8)의 스위칭을 제어하기 위한 신호 PWMI1을 생성하고, 상기 생성된 신호 PWMI1을 인버터(14)로 출력한다.
또한, 출력 전압 Vm, 토크지령값 TR2 및 모터전류 MCRT2를 토대로, 모터제어유닛(30)은 인버터(31)가 모터제너레이터(MG2)를 구동할 때, 인버터(31)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8)의 스위칭을 제어하기 위한 신호 PWMI2를 생성하고, 상기 생성된 신호 PWMI2를 인버터(31)로 출력한다.
또한, 인버터 14(또는 31)가 모터제너레이터 MG1(또는 MG2)를 구동하면, 모터제어유닛(30)은 DC 전압 Vb, 출력전압 Vm, 토크지령값 TR1(또는 TR2) 및 모터회전수 MRN1(또는 MRN2)를 토대로, 후술하는 방법에 의해 승압컨버터(12)의 IGBT 소 자(Q1, Q2)의 스위칭을 제어하기 위한 신호 PWMC를 생성하고, 상기 생성된 신호를 승압컨버터(12)로 출력한다.
도 4는 도 3의 모터제어유닛(30)의 기능블럭도이다.
도 4를 참조하면, 모터제어유닛(30)은 모터제어용상전압연산유닛(301), 인버터용PWM신호변환유닛(302), 인버터입력전압지령연산유닛(303), 컨버터용듀티비연산유닛(304) 및 컨버터용PWM신호변환유닛(305)을 포함한다.
모터제어용상전압연산유닛(301)은 승압컨버터(12)의 출력전압 Vm, 즉 인버터(14)의 입력전압을 전압센서(13)로부터 수신하고, 전류센서(24)로부터 모터전류 MCRT1을 수신하며, ECU(15)로부터 토크지령값 TR1을 수신한다. 이들 입력 신호들을 토대로, 모터제어용상전압연산유닛(301)은 모터제너레이터(MG1)의 각각의 상의 코일에 인가될 전압을 연산하고, 연산 결과를 인버터용PWM신호변환유닛(302)에 출력한다.
또한, 모터제어용상전압연산유닛(301)은 승압컨버터(12)의 출력전압 Vm, 즉 인버터(31)의 입력전압을 전압센서(13)로부터 수신하고, 전류센서(28)로부터 모터전류 MCRT2를 수신하며, ECU(15)로부터 토크지령값 TR2를 수신한다. 이들 입력 신호들을 토대로, 모터제어용상전압연산유닛(301)은 모터제너레이터(MG2)의 각각의 상의 코일에 인가될 전압을 연산하고, 연산 결과를 인버터용PWM신호변환유닛(302)에 출력한다.
모터제어용상전압연산유닛(301)으로부터 수신된 연산 결과를 토대로, 인버터용PWM신호변환유닛(302)은 인버터(14)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8) 각각을 실제로 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWMI1을 생성하고, 생성된 신호 PWMI1을 인버터(14)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8) 각각으로 출력한다.
이에 따라, IGBT 소자(Q3 내지 Q8)의 스위칭이 제어되고, 각 상의 모터제너레이터(MG1)로 흐르게 될 전류는 모터제너레이터(MG1)가 지시된 토크를 출력하도록 제어된다. 이러한 방식으로, 모터구동전류가 제어되어, 토크지령값 TR1에 따라 모터토크가 출력된다.
또한, 모터제어용상전압연산유닛(301)으로부터 수신되는 연산 결과를 토대로, 인버터용PWM신호변환유닛(302)은 인버터(31)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8) 각각을 실제로 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWMI2를 생성하고, 생성된 신호 PWMI2를 인버터(31)의 IGBT 소자(Q3 내지 Q8) 각각으로 출력한다.
이에 따라, IGBT 소자(Q3 내지 Q8)의 스위칭이 제어되고, 각 상의 모터제너레이터(MG2)로 흐르게 될 전류는 모터제너레이터(MG2)가 지시된 토크를 출력하도록 제어된다. 이러한 방식으로, 모터구동전류가 제어되어, 토크지령값 TR2에 따라 모터토크가 출력된다.
인버터입력전압지령연산유닛(303)은 토크지령값 TR1, TR2 및 제어용회전수 MRN1, MRN2를 토대로, 인버터입력전압 Vm의 최적값(목표값), 즉 전압지령 Vdc_com을 연산하고, 상기 연산된 전압지령 Vdc_com을 컨버터용듀티비연산유닛(304)으로 출력한다.
컨버터용듀티비연산유닛(304)은 전압센서(10)로부터의 배터리 전압 Vb을 토대로, 전압센서(13)로부터의 출력전압 Vm을 인버터입력전압지령연산유닛(303)으로 부터의 전압지령 Vdc_com으로 설정하기 위한 듀티비를 연산하고, 상기 연산된 듀티비를 컨버터용PWM신호변환유닛(305)으로 출력한다.
컨버터용PWM신호변환유닛(305)은 컨버터용듀티비연산유닛(304)으로부터의 듀티비를 토대로 승압컨버터(12)의 IGBT 소자(Q1, Q2)를 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWMC를 생성한다. 컨버터용PWM신호변환유닛(305)은 상기 생성된 신호 PWMC를 승압컨버터(12)의 IGBT 소자(Q1, Q2)에 출력한다.
이러한 방식으로, 모터제어유닛(30)은 토크지령값 TR1, TR2 및 제어용회전수 MRN1, MRN2를 토대로 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어한다.
여기서는, 보통 회전자의 회전 위치를 나타내고, 회전위치센서(R1, R2)로부터 제공되는 신호(θ1, θ2)에 의한 연산을 행하여 얻어지는 회전수[이하, 이 회전수를 통상회전수(normal revolution number)라고도 함]가 제어용회전수 MRN1, MRN2로 사용된다.
하지만, 구동축에 결합된 모터제너레이터(MG2)에 관해서는, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 예컨대 하이브리드자동차(100)의 구동차륜(50L, 50R)의 스키드로 인하여 일부 경우에 있어서 증가할 수도 있다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 통상회전수가 제어용회전수 MRN2로 사용되도록 설정되어 구동 및 제어가 행해지는 제어 주기에서는, 상기 제어 주기에서의 모터제너레이터(MG2)의 실제 회전수가 제어용회전수 MRN2에 비해 작아지는 편차가 발생한다는 단점이 있다.
도 5를 참조하면, 예컨대 구동차륜(50L, 50R)이 시각 ti에서 스키드되어 모터제너레이터(MG2)의 회전수를 시각 ti 이후 급증시키는 것이 가정된다.
이 때, ECU(15)는 회전위치센서(R2)로부터의 신호(θ2)를 토대로, 각각의 제어 주기 동안 통상회전수를 연산한다. 예를 들어, 도 5의 시각 tn의 타이밍에서 연산된 통상회전수 Nn-1은 제어 주기 길이 Ts를 이용하여 시각 tn-1에서 시각 tn까지의 제어 주기에서의 신호 θ2의 변화량의 시간-미분에 의해 결정된다. 결정된 통상회전수 Nn-1은 실질적으로 시각 tn-1에서의 실제 회전수 N(tn-1)과 시각 tn에서의 실제 회전수 N(tn)의 평균과 거의 같다.
시각 tn에서 얻어진 통상회전수 Nn-1은 제어용회전수 MRN2로 사용되도록 설정된다. 그 후, 시각 tn에서 시각 tn+1까지의 제어 주기에서는, 후술하는 전력밸런스제어가 제어용회전수 MRN2 및 모터제너레이터(MG2)의 요구토크를 토대로 행해져, 모터제너레이터(MG2)용 토크지령값 TR2가 생성되게 된다.
상기 전력밸런스제어는 상기 모터구동장치의 전력밸런스 P가 전체로서 배터리(B)의 입출력 제한을 초과하지 않도록 각각의 모터제너레이터의 출력토크의 제어를 참조하여, 배터리(B)가 과도한 전력으로 충전되거나 방전되는 것을 방지하도록 한다.
구체적으로, 전체 모터구동장치의 파워밸런스 P는 수학식 1로 표현될 수 있다.
P = Pm + Pg + Lg + Lm + Pc
여기서, Pm은 역행모드로 구동될 때 모터제너레이터들 중 하나(모터제너레이터(MG1, MG2) 중 하나)에 의해 소비되는 전력이고, Pg는 타 모터제너레이터가 회생 모드로 구동될 때 타 모터제너레이터에 의해 생성되는 전력이며, Pc는 캐패시터(C2)와 입출력되는 전력이다. 여기서, Lg 및 Lm은 각각의 모터제너레이터의 전력 손실을 나타낸다.
배터리(B)가 과도한 전력으로 충전되거나 방전되는 것을 방지하기 위해서는, 배터리(B)와 입출력하는 전력이 배터리(B)의 입출력 제한을 초과하지 않도록, 즉 수학식 2로 표현된 관계를 충족하도록 전력밸런스 P를 조정할 필요가 있다.
Win < Pm + Pg + Lg + Lm + Pc < Wout
여기서, Win은 배터리(B)의 입력 제한을 나타내고, Wout은 배터리(B)의 출력 제한을 나타낸다.
전력밸런스제어에 관해서는, 수학식 2에 사용된 모터소비전력 Pm 및 모터생성전력 Pg 양자 모두가 제어용회전수 MRN1 또는 MRN2에 각 모터제너레이터의 요구토크 Tr을 곱하여 연산된다. 예를 들어, 모터제너레이터(MG2)가 역행모드에 있을 때의 모터소비전력 Pm 및 모터제너레이터가 회생모드에 있을 때의 모터생성전력 Pg는 각각 수학식 3 및 수학식 4로 결정된다.
Pm = K · Tr2 × MRN2
Pg = K · Tr2 × MRN2
여기서, K는 구동력을 전력으로 변환하기 위한 변환계수이다.
모터제너레이터(MG1, MG2)로부터 출력될 수도 있는 상한토크는 수학식 2의 관계를 충족할 수 있는 순서로 연산되고, 상기 연산된 상한토크는 각각의 모터제너레이터(MG1, MG2)의 토크지령값 TR1, TR2로 사용되도록 설정된다.
도 5를 다시 참조하면, 시각 tn에서 시각 tn+1까지의 제어주기에서 설정되는 토크지령값 TR1, TR2는 ECU(15)로부터 PCU(20)의 모터제어유닛(30)으로 전송된다. 전송된 토크지령값 TR1, TR2를 토대로, 모터제어유닛(30)은 시각 tn+1에서 시각 tn+2까지의 차회의 제어주기에서 모터제너레이터(MG1, MG2)를 구동 및 제어한다.
여기서, 모터제너레이터(MG2)에 관해서는, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 구동차륜(50L, 50R)의 스키드로 인하여 급증하기 때문에, 모터가 실제로 구동 및 제어되는 제어주기에서의 실제 회전수와 토크지령값 TR을 생성하기 위한 제어용회전수 MRN2로서 사용되는 통상회전수 Nn-1간의 차이가 크게 된다. 도 5에서, 시각 tn+1에서 tn+2까지의 제어주기에서의 최대 회전수, 즉 시각 tn+2에서의 실제 회전수 N(tn+2)는 통상회전수 Nn-1보다 △N 만큼 더 크다.
그러므로, 시각 tn+1에서 시각 tn+2까지의 제어주기에서의 모터제너레이터(MG2)의 모터소비전력 Pm은 실제 회전수 N(tn+2)가 대입되는 수학식 3을 이용하여 연산된 Pm = K·TR2 × N(tn+2)를 구비한다. 이러한 최대값은 수학식 2의 전력밸런스 P에 대해 사용되는 모터소비전력 Pm = K·Tr2 × Nn - 1 보다 현저하게 크다. 그러므로, 실제로는 tn+1에서 시각 tn+2까지의 제어주기에서, 수학식 2의 관계가 충족되지 않고, 출력 제한 Wout을 초과하는 전력이 배터리(B)로부터 나온다. 이는 전력밸런스를 해칠 수도 있고, 배터리(B)가 과도하게 충전/방전될 가능성을 초 래할 수도 있다.
이러한 관점에서, 본 발명의 실시예의 모터용 제어장치는 제어용회전수와 실제 회전수간의 차이를 줄이기 위하여, 회전위치센서출력으로부터 연산된 통상회전수 대신에 통상회전수로부터 추정되는 예측회전수가 제어용회전수로서 사용된다는 특징을 가진다. 따라서, 회전수가 급증하더라도, 배터리(B)가 과도한 전력으로 충전되거나 방전되는 것이 방지될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 예측회전수를 추정하는 방법을 설명하기로 한다.
우선, 추정될 예측회전수는 모터가 구동 및 제어되는 제어주기의 말단의 타이밍으로 추정된 실제 회전수이다. 도 5의 예시에 있어서는, 시각 tn+1에서 시각 tn+2까지의 제어주기의 말단인 시각 tn+2에서의 실제 회전수 N(tn+2)가 추정되어야 한다. 이는 회전수가 급증할 때 배터리(B)를 확실하게 보호하기 위하여, 회전수가 최고일 것으로 예상되는 제어주기의 말단에서 수학식 2의 관계가 충족될 필요가 있기 때문이다.
그러므로, 시각 tn에서 연산된 통상회전수 Nn-1가 시각 tn-1에서 시각 tn까지의 제어주기의 실질적인 중앙점에서의 실제 회전수에 대응한다는 사실을 고려하여, 통상회전수 Nn-1가 얻어지는 시각으로부터 근사적으로 2.5 제어주기만큼 선행된 시각에서의 실제 회전수가 추정될 수도 있는 것으로 보여진다.
다음으로, 시각 tn+2에서의 실제 회전수는 다음과 같은 방식으로 추정된다. 시각 tn에서 연산된 통상회전수 Nn-1와 시각 tn-1에서 연산된 통상회전수 Nn-2간의 변화량을 토대로, 2.5 제어주기만큼 선행되는 시각에서의 변화량이 결정된다. 수학식 5를 따르는 이러한 방법이 가장 간단한 방식일 수도 있다고 예상된다.
N(tn + 2) = (Nn - 1) + {(Nn - 1) - (Nn - 2)} × 2.5
하지만, 통상회전수 Nn-2 및 Nn-1은 각각의 제어주기에 있어서 회전위치센서(R2)로부터의 출력 신호 θ2를 토대로 연산되므로, 상기 통상회전수는 신호 θ2에 중첩된 노이즈 등의 영향으로 인하여 작은 변동 성분을 포함할 수도 있다. 그러므로, 연속적인 제어주기에 대해 각각 연산되는 통상회전수 Nn-2 및 Nn-1로부터 직접 예측회전수를 추정하기 위한 수학식 5를 이용하는 방법은, 통상회전수의 작은 변동의 영향으로 인하여 예측회전수를 안정하게 추정하기 어렵다는 문제점을 가질 수도 있다.
구체적으로는, 도 6에 도시된 바와 같이 작은 증가 및 감소에 의해 수반되면서 통상회전수가 증가하는 경우, 연속적인 두 통상회전수 Nn-2 및 Nn-1을 수학식 5에 대입하여 결정되는 예측회전수 N(tn + 2)는 작은 증감이 확장된다는 사실로 인하여 크게 변하는 불안정한 출력 파형을 가진다.
예측회전수가 도 6의 통상회전수보다 상당히 작은 경우에는, 실제 제어주기에서의 모터소비전력 Pm이 상술된 파워밸런스제어 하에 제어용회전수 MRN2로 사용되도록 예측회전수를 설정하여 연산되는 예측모터소비전력 Pm보다 현저하게 크므로, 배터리(B)가 과방전될 가능성을 초래하게 된다.
따라서, 여기서는 통상회전수를 직접 이용하여 예측회전수를 추정하는 방법 은 안정된 예측회전수를 제공할 수 없다는 사실로 인하여 배터리(B)가 충분히 보호되지 못한다는 문제점이 있게 된다.
이에 따라 본 발명의 실시예는 예측회전수가 통상회전수의 이동평균을 토대로 추정되는 것에 따른 방법을 채택한다.
상기 이동평균은 주지되어 사전에 미리 정해진 소정의 기간에서의 출력 평균을 연속적으로 연산하여 결정되므로, 출력의 동향을 알게 된다. 본 발명의 실시예에 있어서는, 수학식 6으로 도시된 바와 같이, 소정의 기간이 k(k는 2 이상의 자연수임) 제어주기로 설정되고, 소정의 기간에서의 k 통상회전수의 평균이 연속해서 연산되어, 통상회전수의 이동평균회전수 NAn를 결정하게 된다.
NAn = {(Nn - k) + (Nn - k + 1)...+ Nn - 2 + Nn - 1} / k
이동평균을 결정하기 위해서는, 수학식 6을 이용하는 방법 대신에, 가중이동평균이 사용될 수도 있어, 각각의 k 통상회전수를 가중을 위한 사전설정된 계수에 곱하여 가중평균을 결정하게 된다. 이 경우, 사전설정된 계수는 보다 최근의 통상회전수에 대한 계수가 더욱 크도록 설정된다.
그 후, 상기 예측회전수는 시각 tn-1에서의 이동평균회전수 NAn - 1과 시각 tn에서의 이동평균회전수 NAn간의 변화량을 토대로 수학식 7로부터 연산된다.
N(tn + 2) = (Nn - 1) + {(NAn) - (NAn - 1)} × 2.5
도 7은 통상회전수, 상기 통상회전수의 이동평균을 연산하여 얻어진 이동평 균회전수 및 상기 이동평균회전수를 토대로 연산된 예측회전수의 시간적변화를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 이동평균회전수는 통상회전수의 변화량을 포함하지 않고, 회전수가 증가 경향을 갖는다는 것을 제시한다. 이동평균회전수로부터 결정된 예측회전수는 도 6에 도시된 바와 같이 통상회전수에 대해 반복해서 증감하지 않고, 안정하게 증가하는 파형을 가진다.
상기로 알 수 있는 바와 같이, 예측회전수는 통상회전수보다 현저하게 작은 것이 발생하지 않는다. 그러므로, 파워밸런스제어에 관해서는, 제어용회전수 MRN2로 사용되도록 예측회전수를 설정하여 연산되는 모터소비전력 Pm의 예측값이 실제 제어주기에서의 모터소비전력 Pm 만큼 초과되는 문제점이 해결된다. 그러므로, 상기 배터리(B)가 과도한 전력으로 충전/방전되는 것이 확실하게 방지될 수 있게 된다.
실제로, 예측회전수를 추정하는 상술된 방법은 사전설정된 제어주기마다 도 2의 ECU(15)에 의해 반복해서 수행된다. 사전설정된 제어주기는 ECU(15)의 일부를 구성하는 CPU의 연산처리능력과 회전위치센서 R1, R2의 검출율를 토대로 사전설정된 기간 길이 Ts로 사전에 미리 설정된다.
도 8은 도 2의 ECU(15)의 기능블럭도이다. 여기서, 도 8은 모터제너레이터(MG2)의 토크지령값 TR2 및 제어용회전수 MRN2의 설정과 관련된 ECU(15)의 일부분을 보여준다.
도 8을 참조하면, ECU(15)는 통상회전수연산유닛(151), 이동평균연산유 닛(152), 예측회전수연산유닛(153), 카운터(154), 요구토크설정유닛(155) 및 토크지령연산유닛(156)을 포함한다.
통상회전수연산유닛(151)은 회전위치센서 R2로부터의 출력신호 θ2를 토대로, 각각의 제어주기에 대한 모터제너레이터(MG2)의 통상회전수 Nn-1을 연산한다. 통상회전수연산유닛(151)은 상기 연산된 통상회전수 Nn-1을 이동평균연산유닛(152)에 출력한다.
이동평균연산유닛(152)은 각각의 제어주기에 대해 제공되는 통상회전수 Nn으로부터 이동평균회전수 NAn를 연산하고, 상기 연산된 이동평균회전수를 예측회전수연산유닛(153)으로 출력한다. 즉, 이동평균회전수 NAn은 상술된 수학식 6에 따라 각각의 제어주기에 대해 갱신되고, 갱신된 이동평균회전수는 예측회전수연산유닛(153)으로 연속해서 입력된다.
예측회전수연산유닛(153)은 이동평균회전수 NAn을 수신한 다음, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있는 지의 여부를 판정한다. 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있는 것으로 판정된 것에 응답하여, 예측회전수연산유닛(153)은 상술된 방법을 이용하여 이동평균회전수 NAn을 토대로 예측회전수 N(tn + 2)를 연산한다.
여기서, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있는 지의 여부에 관한 판정은 각각의 제어 주기에 대해 갱신된 이동평균회전수 NAn가 연속해서 복수회 증가 방향으로 변동하는 지의 여부를 토대로 이루어진다. 여기서, 증가 방향은 전회의 제어 주기에서의 이동평균회전수 NAn - 1에 대한 금회의 제어주기에서의 이동 평균회전수 NAn의 변화량이 0 이상인 경우를 참조한다. 감소 방향은 전회의 제어 주기에서의 이동평균회전수 NAn - 1에 대한 금회의 제어주기에서의 이동평균회전수 NAn의 변화량이 0 보다 작은 경우를 참조한다.
이동평균회전수 NAn가 연속적인 복수개(예컨대 5개)의 제어 주기에서의 증가 방향으로 계속해서 변동하는 경우, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 증가 상태에 있는 것으로 판정되고, 이동평균회전수 NAn의 변화량으로부터 예측회전수 N(tn + 2)가 연산된다. 연산된 예측회전수 N(tn + 2)는 제어용회전수 MRN2로 사용되도록 설정되고, 모터제어유닛(30) 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력된다.
이와는 대조적으로, 이동평균회전수 NAn가 연속적인 5개의 제어 주기에서 증가 방향으로 변동하지 못하는 경우에는, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있지 않은 것으로 예측회전수연산유닛(153)이 판정하여, 예측회전수 N(tn + 2)를 연산하지 않고 통상회전수 Nn - 1을 예측회전수 N(tn + 2)로 사용되도록 설정한다. 상기 설정된 예측회전수(즉, 통상회전수 Nn - 1)는 제어용회전수 MRN2로서 모터제어유닛(30) 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력된다.
카운터(154)는 이동평균회전수 NAn가 증가 방향으로 변동하는 횟수를 계수한다. 카운터(154)는 이동평균회전수 NAn가 연속해서 증가 방향으로 변동한다는 사실에 응답하여 카운트값 U_CNT를 +1 만큼 증가시킨다. 예측회전수연산유닛(153)은 카운터(154)로부터의 카운트값 U_CNT이 5에 도달한다는 사실에 응답하여 예측회전수 N(tn + 2)를 연산한다. 카운터(154)는 이동평균회전수 NAn의 변동 방향이 감소 방향으로 스위칭될 때 카운트값 U_CNT를 "0"으로 리셋한다.
상술된 구성에 의하면, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 급격하게 변하더라도, 예측회전수가 안정하게 추정된다. 그러므로, 전력밸런스제어를 안정하게 수행하도록 제어용회전수로서 예측회전수가 사용될 수 있다.
또한, 회전수의 상승 상태를 판정하기 위한 기준으로 사용되는 카운트값 U_CNT는 이동평균회전수 NAn의 변화량이 커짐에 따라 상대적으로 작게 설정될 수도 있다. 따라서, 회전수의 급격한 변화에 응답하여, 제어용회전수로서 사용되도록 예측회전수가 즉시 추정된다. 그러므로, 배터리가 더욱 확실하게 보호될 수 있게 된다.
하지만, 구동차륜(50L, 50R)이 스키드되면, 모터제너레이터(MG2)의 회전수는 회전수가 도 2에 도시된 바와 같이 단조롭게 증가하는 경향이 아니라, 증가하는 회전수가 변하여 감소하게 된 다음, 차량의 상태에 따라 다시 증가하는 경향을 보일 수도 있다. 이 경우, 회전수가 증가하거나 감소하는 지의 여부에 관계없이 항상 이동평균회전수로부터 예측회전수가 연산된다면, 전력밸런스제어가 실패할 가능성이 있다.
구체적으로는, 회전수가 단조롭게 증가하지 않는 경우, 이동평균회전수 NAn는 도 9의 곡선 LN1로 표시된 바와 같이 시각 t4까지 증가방향으로 변동한 다음(이동평균회전수 NA1-NA4에 상응함), 시각 t4에서 시각 t9까지의 기간에서 감소방향으로 변동한 후(NA5-NA9에 상응함), 시각 t9 이후에 다시 증가하는(NA10-NA13에 상응함) 파형을 보여준다.
상기 이동평균회전수 NAn을 토대로 연산된 예측회전수는 도면에서 곡선 LN2 로 도시된 바와 같이, 시각 t6까지 증가하고(예측회전수 NE1-NE4에 상응함), 시각 t6에서 시각 t11까지의 기간에서 감소한 후(NE5-NE9에 상응함), 시각 t11 이후에 다시 증가하는(NE10-NE11에 상응함) 파형을 보여준다.
곡선 LN1과 곡선 LN2간의 비교로부터, 상기 예측회전수는 시각 t9에서 시각 t14까지의 기간의 이동평균회전수보다 작은 것이 명백하게 도시되어 있다. 그러므로, 상기 기간에서는, 실제 회전수에 의한 모터소비전력 Pm이 제어용회전수 MRN2로서 예측회전수 NE8 내지 NE11을 이용하는 전력밸런스제어시에 설정되는 모터소비전력 Pm을 초과한다. 그 결과, 배터리(B)가 과방전될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 예측회전수가 실제 회전수보다 작게 추정될 수도 있다는 사실을 고려하여, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정되는 경우에 상술된 방식으로 예측회전수를 추정하지 않는다.
구체적으로는, 이동평균회전수 NAn 수신 시, 예측회전수연산유닛(153)은 이동평균회전수 NAn의 궤적으로부터, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 지의 여부를 판정한다. 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정되는 경우, 예측회전수연산유닛(153)은 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 통상회전수 Nn - 1을 설정하고, 상기 통상회전수를 모터제어유닛(30) 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력한다.
이 때, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 지의 여부에 관한 판정은 각각의 제어 주기에 대해 갱신되는 이동평균회전수 NAn가 연속해서 복수회 감소 방향으로 변동하는 지의 여부를 토대로 이루어진다. 여기서, 상기 판정의 기 준은 예측회전수연산유닛(153)이 추정방법을 빈번하게 변경한다는 사실로 인해 모터의 구동 및 제어 시의 안정성이 훼손되는 것을 막기 위하여 감소 방향으로의 변동의 연속적이면서도 다수의 발생으로 특정된다.
이동평균회전수 NAn가 연속적이면서 복수개(예컨대 3개)의 제어 주기에서 감소 방향으로 계속해서 변동하는 경우, 예측회전수연산유닛(153)은 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정하고, 예측회전수 N(tn + 2)의 연산없이 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 통상회전수 Nn - 1을 직접적으로 설정한다. 따라서, 통상회전수 Nn - 1이 제어용회전수 MRN2로서 모터제어유닛(30) 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력된다.
카운터(154)는 이동평균회전수 NAn가 감소 방향으로 변동하는 횟수를 계수한다. 이동평균회전수 NAn가 연속해서 감소 방향으로 변동하면, 카운트값 D_CNT를 +1 만큼 증가시킨다. 카운터(154)로부터의 카운트값 D_CNT이 3에 도달하면, 예측회전수연산유닛(153)은 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 통상회전수 Nn - 1을 직접적으로 설정한다. 카운터(154)는 이동평균회전수 NAn의 변동 방향이 증가 방향으로 변경될 때 카운트값 D_CNT를 "0"으로 리셋한다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 예측회전수를 추정하는 방법은 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태 또는 하강 상태에 있는 지의 여부에 따라 변경된다. 이에 따라, 이동평균회전수가 연속해서 감소 방향으로 변동한다는 사실로부터, 이동평균회전수의 변동 방향이 증가 방향으로부터 감소 방향으로 스위칭할 때로부터 이동평균회전수의 변동이 하강 상태에 있는 것으로 판정될 때까지의 이행 기간이 있게 된다. 상기 기간에서는, 회전수를 추정하는 방법이 변경된 직후 제어용회전수 MRN2의 갑작스런 변동을 방지하기 위하여, 예측회전수의 변화량이 제한된다.
구체적으로는, 도 9의 곡선 LN1을 참조하여, 이동평균회전수가 시각 t5 이후 감소 방향으로 연속해서 변동한다. 예측회전수연산유닛(153)은 시각 t5로부터 카운트값 D_CNT를 증가시키기 시작한다. 카운트값 D_CNT가 시각 t7에서 3에 도달하면, 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정된다. 그 후, 예측회전수가 추정되지 않고, 통상회전수 Nn - 1이 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 설정된다.
또한, 카운트값 D_CNT의 증분이 시작되는 시각 t5로부터 카운트값 D_CNT가 3에 도달하는 시각 t7까지의 기간에서는, 예측회전수연산유닛(153)이 하기 수학식을 이용하여 예측회전수 N(tn + 2)를 연산한다.
N(tn + 2) = N(tn + 1) - {N(tn + 1) - Nn - 1} × 1 / a
여기서, N(tn + 1)은 전회의 제어 주기에서의 예측회전수이고, a는 2이상의 자연수이다.
이에 따라, 시각 t5 및 시각 t6에서 연산된 각각의 예측회전수는 도면에서 곡선 LN3 상의 점 NEd5 및 NEd6로 표시된 것이다. 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정되는 시각 t7에서 시각 t9까지의 기간에서는, 예측회전수가 시각 t7에서 시각 t9까지의 통상회전수 Nn - 1와 동일하고, 곡선 LN3 상의 점 NEd7, NEd8 및 NEd9 으로 표시된 회전수이다. 또한, 이동평균회전수의 변동 방향이 다시 증가 방향으로 스위칭되는 시각 t10 이후, 예측회전수는 이동평균회전수를 상기 수학식 5로 치환하여 결정되는 회전수(곡선 LN3 상의 점 NE10, NE11에 상응함)로 설정된다.
이러한 방식으로, 회전수가 상승 상태 또는 하강 상태에 있는 지의 여부에 따라, 예측회전수의 추정방법이 절환되어, 예측회전수가 곡선 LN3으로 표현된 파형을 가지게 된다. 곡선 LN3과 곡선 LN2간의 비교로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 예측회전수가 이동평균회전수보다 현저하게 작은 경우들은, 회전수가 증가하거나 감소하는 지에 관계없이 항상 이동평균회전수로부터 예측회전수의 연산에 비해 감소된다. 따라서, 실제 회전수에서의 모터소비전력 Pm이 제어용회전수 MRN2로서 예측회전수를 이용하는 전력밸런스제어 하에 설정되는 모터소비전력 Pm을 초과하는 것이 방지된다. 따라서, 배터리(B)가 과도하게 큰 전력으로 충전되거나 방전되는 것이 방지될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 예측회전수를 추정하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 회전위치센서(R2)로부터의 신호 θ2의 입력에 응답하여(단계 S01), ECU(15)의 통상회전수연산유닛(151)이 우선 상기 입력 신호 θ2를 토대로 각각의 제어 주기에 대해 모터제너레이터(MG2)의 통상회전수 Nn - 1을 연산한다(단계 S02). 그 후, 통상회전수연산유닛(151)은 상기 연산된 통상회전수 Nn - 1을 이동평균연산유닛(152)으로 출력한다.
이동평균연산유닛(152)은 각각의 제어 주기에서 제공되는 통상회전수 Nn의 이동평균회전수 NAn를 연산하고, 상기 이동평균회전수를 예측회전수연산유닛(153)으로 출력한다(단계 S03).
예측회전수연산유닛(153)은 이동평균회전수 NAn를 수신한 다음, 이동평균회전수 NAn의 변화량이 0 이상인 지의 여부, 즉 이동평균회전수 NAn가 증가 방향으로 변동하는 지의 여부를 판정한다(단계 S04).
이동평균회전수 NAn의 변화량이 단계 S04에서 0 이상인 것으로 판정되면, 예측회전수연산유닛(153)은 카운터(154)의 카운트값 U_CNT을 +1 만큼 증가시킨다(단계 S05). 또한, 예측회전수연산유닛(153)은 카운트값 D_CNT를 "0"으로 리셋한다(단계 S06).
그 후, 예측회전수연산유닛(153)은 카운트값 U_CNT가 X(X는 2이상의 자연수임) 이상인 지의 여부를 판정한다(단계 S07). 단계 S07에서 카운트값 U_CNT가 X 이상인 것으로 판정되면, 즉 이동평균회전수 NAn가 연속해서 증가 방향으로 X회 연속해서 변동하는 것으로 판정되면, 예측회전수연산유닛(153)은 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있는 것으로 판정한다. 그 후, 예측회전수연산유닛(153)은 상술된 방법을 이용하여 이동평균회전수 NAn의 변화량으로부터 예측회전수 N(tn + 2)를 연산한다(단계 S09).
이와는 대조적으로, 단계 S07에서 카운트값 U_CNT가 X 보다 작은 것으로 판정되면, 예측회전수연산유닛(153)은 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 상승 상태에 있지 않은 것으로 판정한다. 이 경우, 예측회전수연산유닛(153)은 예측회전수 N(tn + 2)를 연산하지 않고, 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 통상회전수 Nn - 1을 설정한다(단계 S08).
다시 단계 S04에서, 이동평균회전수 NAn의 변화량이 0 보다 작은 것으로 판정되면, 예측회전수연산유닛(153)은 이동평균회전수 NAn가 감소 방향으로 변동하는 것으로 판정하여, 카운터(154)의 카운트값 D_CNT를 +1 만큼 증가시킨다(단계 S10).
그 후, 예측회전수연산유닛(153)은 카운트값 D_CNT이 Y(Y는 2이상의 자연수임) 이상인 지의 여부를 판정한다(단계 S12). 단계 S12에서 카운트값 D_CNT가 Y 보다 작은 것으로 판정하는 것에 응답하여, 예측회전수연산유닛(153)은 변동 방향이 증가 방향에서 감소 방향으로 스위칭할 때로부터 회전수가 연속해서 감소 방향으로 Y회 변동할 때까지의 이행 기간에 이동평균회전수 NAn가 있다고 판정한다. 이 경우, 예측회전수연산유닛(153)은 상술된 방법을 이용하여 전회의 제어 주기에서의 예측회전수 N(tn + 1) 및 금회의 제어 주기에서의 통상회전수를 토대로 예측회전수 N(tn + 2)를 연산한다(단계 S13).
단계 S12에서 카운트값 D_CNT가 Y 이상이 된다는, 즉 이동평균회전수 NAn가 연속해서 증가 방향으로 Y회 변동한다는 사실에 응답하여, 예측회전수연산유닛(153)은 모터제너레이터(MG2)의 회전수가 하강 상태에 있는 것으로 판정한다. 이 경우, 예측회전수연산유닛(153)은 예측회전수 N(tn + 2)를 연산하지 않고, 예측회전수 N(tn + 2)로서 사용되도록 통상회전수 Nn - 1을 설정한다(단계 S08).
단계 S08, S09 및 S13에서 각각 결정된 예측회전수 N(tn + 2)는 제어용회전수 MRN2로서 사용되도록 설정되고, 모터제어유닛(30) 및 토크지령연산유닛(156)으로 출력된다.
토크지령연산유닛(156)은 제어용회전수 MRN2 및 모터제너레이터(MG2)의 요구토크를 토대로 전력밸런스제어를 수행하고, 모터제너레이터(MG2)용 토크지령값 TR2을 생성하여 모터제어유닛(30)으로 출력한다. 제어용회전수 MRN2 및 토크지령값 TR2를 수신하면, 모터제어유닛(30)은 각각의 상의 모터제너레이터(MG2)로 흐를 전류를 제어하여, 모터제너레이터(MG2)가 지정된 토크를 출력하도록 한다(단계 S14). 이러한 방식으로, 모터구동전류가 제어되고, 토크지령값 TR2에 따라 모터토크가 출력된다.
지금까지 기술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 모터제너레이터의 회전수가 급격하게 변하더라도 예측회전수가 추정된다. 그러므로, 예측회전수가 제어용회전수로 사용될 수 있어, 전력밸런스제어를 안정하게 수행하게 된다. 결과적으로, 배터리가 과도하게 큰 전력으로 충전되거나 방전되는 것이 방지될 수 있게 된다.
또한, 예측회전수의 추정방법이 모터제너레이터의 회전수가 증가하거나 감소하는 지의 여부에 따라 절환되어, 예측회전수가 실제 회전수보다 작은 경우가 감소되도록 한다. 그러므로, 배터리가 전력밸런스제어를 훼손하지 않고도 확실하게 보호될 수 있게 된다.
상술된 실시예들은 모든 실시형태에 있어서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명에 의해서가 아니라, 청구범위에 의해 한정되며, 상기 청구범위의 기술적 사상 및 범위에 등가적인 모든 변형예와 수정예들을 포함한다.
본 발명은 구동력원으로서 모터를 이용하는 차량에 탑재된 모터용 제어장치에 적용가능하다.

Claims (7)

  1. 구동력지령값에 따라 모터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하는 모터의 제어장치에 있어서,
    상기 모터(MG1, MG2)의 회전수를 검출하는 회전수검출유닛(151);
    상기 회전수의 검출값의 이동평균을 산출하는 이동평균연산유닛(152);
    상기 연산된 이동평균을 이용하여, 사전설정된 제어타이밍으로 예측회전수를 추정하는 회전수추정유닛(153);
    상기 추정된 예측회전수를 제어용회전수로 이용하여, 상기 제어용회전수를 토대로 상기 사전설정된 제어타이밍에서 상기 구동력제어값을 설정하는 구동력지령설정유닛(156); 및
    전원(B)으로부터 전력을 받아 상기 모터(MG1, MG2)를 구동 및 제어하여, 상기 모터(MG1, MG2)의 출력이 상기 구동력지령값을 추종하도록 하는 모터구동제어유닛(30)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동력지령설정유닛(156)은, 상기 모터(MG1, MG2)가 역행모드로 동작할 때, 상기 제어용회전수와 상기 구동력지령값에 따라 상기 모터(MG1, MG2)에 의해 소비되는 전력량이 상기 전원의 출력전력제한값을 초과하지 않도록 상기 구동력지령값을 설정하고, 상기 모터(MG1, MG2)가 회생모드로 동작할 때, 상기 제어용회전 수와 상기 구동력지령값에 따라 상기 모터(MG1, MG2)에 의해 발생되는 전력량이 상기 전원의 입력전력제한값을 초과하지 않도록 상기 구동력지령값을 설정하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동평균을 토대로, 상기 회전수가 상승상태 또는 하강상태에 있는 지의 여부를 판정하는 회전수변동상태판정유닛을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 회전수추정유닛(153)은, 상기 회전수가 상기 상승상태에 있는 것으로 판정될 때, 상기 사전설정된 제어타이밍에서 상기 예측회전수를 추정하고, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정될 때, 상기 예측회전수의 추정을 금지하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전수추정유닛(153)은, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정될 때, 사용될 상기 회전수의 검출값을 직접적으로 상기 예측회전수로 설정하여 출력하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전수변동상태판정유닛은, 상기 이동평균이 연속하는 n(n은 2이상의 자연수임)개의 제어주기로 증가할 때, 상기 회전수가 상기 상승상태에 있는 것으로 판정하고, 상기 이동평균이 연속하는 m(m은 2이상의 자연수임)개의 제어주기로 감소할 때, 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전수추정유닛(153)은, 상기 이동평균이 감소하기 시작하여 상기 회전수가 상기 하강상태에 있는 것으로 판정할 때까지의 기간에서, 상기 이동평균을 토대로 추정되는 상기 예측회전수보다는 크고 상기 회전수의 검출값보다는 작게 상기 예측회전수를 설정하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 회전수변동상태판정유닛은, 상기 제어주기간의 상기 평균이동의 증가량이 클수록 상기 n을 상대적으로 작게 설정하고, 상기 제어주기간의 상기 이동평균의 감소량이 클수록 상기 m을 상대적으로 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어장치.
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